JAK_STAT信号通路研究进展

1、彭英才教授,博士生导师,河北大学电子信息工程学院,保定071002赵新为副教授,日本东京理科大学理学部,河北大学客座教授刘明研究员,中国科学院微电子研究中心,北京1000291福间雅夫.应用物理(日文,2002;71:9642Ono Y.,et al.IEEE Trans.Electron Devices,2000;47:1473W ang T.H.,et al.Appl.Phys.Lett.,2001;78:21604Dutta A.,et al.Jpn.J.Appl.Phys.,2000;39:46475李国华.物理,2001;30:4366裕之.电子通信学会志(日文,1997;80:71

2、77Peng Y.C.,et al.Semiconductor Photonics and Technology,2000;6:129 8W ang Z.G.,et al.Science in China,2000;43:8619Hu ffaker P.L.,et al.Appl.Phys.Lett.,1997;70:178110王占国.世界科技研究与发展,2000;22:111徐少辉等.物理,2002;31:55812K ane B.E.Nature,1998;393:13313Smet J.H.,et al.Nature,2002;415:281Several Active Fields

3、in the N anometer Q uantum De2 vicesPeng Y ing2cai,Zhao X in2wei,Liu MingPro fessor,Supervisor o f Ph.D.Candidates,College o f Electronic and In2 formational Engineering,H ebei Univer sity,Baoding071002Associate Pro fessor,Department o f Physics,Faculty o f Science,Science Univer sity o f Tokyo.Visi

4、ting Pro fessor o f H ebei Univer sity,Research Pro fessor,Microelectronic Center,Chinese Academy o f Sciences, Beijing,100029key w ordsnanometer sem iconductor structures,quantum mechanics effect, nanometer quantum devices,new technical revelutionJAK-ST AT信号通路研究进展陈晓萍徐飞(浙江大学生命科学学院关键词受体JAKST AT信号通路JA

5、K(Janus激酶-STAT(信号转导子和转录激活子信号通路是与细胞生长、增殖和分化关系十分密切的一条细胞信号通路,近年来发展迅速.本文对通路中细胞表面受体、JAK、STAT等几个关键环节的分子结构、相互作用及调控因素进行了总结.细胞外刺激可通过多条信号通路传递到细胞内,调控相关基因,引导细胞对环境的协调与适应.JAK-ST AT 信号通路是与细胞生长、增殖、分化关系十分密切的一条信号通路,近年来研究十分活跃,尤其在造血过程中的变化已有深入研究1,2.现将有关进展综述如下.一、受体家族JAK-ST AT信号通路的受体是一大类异质性混合成分,包括造血系统中调节细胞增殖与分化的局部介质(细胞因子的

6、受体,某些激素如生长激素和催乳素的受体,以及T淋巴细胞和B淋巴细胞抗原特异性受体.其共同的结构特点是本身不具有酶活性,但胞内段具有酪氨酸蛋白激酶的结合位点.受体与配体结合后,通过与之相联系的酪氨酸蛋白激酶的活化,磷酸化各种靶蛋白的酪氨酸残基来实现信号转导.根据受体的结构差异,通常分成两大类3.(1型受体家族型受体占绝大部分,包括生长激素、催乳素、多种白介素、集落生长因子等多种活性因子的受体.其结构特点为受体的胞外段有四个半胱氨酸残基和一个与细胞因子结合有关的WSXWS J序列,胞内区无激酶或催化结构域.典型的第二信使无法与其作用.细胞因子受体信号经一组受体偶联的酪氨酸蛋白激酶(PTK s传递,

7、即JAK家族.在大多数受体胞内段的邻膜结构域处有一个八个氨基酸的富含脯氨酸的序列(PRM,也称为Box1. PRM序列对信号传递有决定性作用,它涉及到JAK和受体之间的相互作用.另外,受体结构中还有一个保守的Box2序列.型受体又可以分为几个亚类(图1:a.I L-2受体亚族.包括I L-2、I L-15、I L-7、I L-9、I L-4、I L-4/I L-13等因子的受体.b.I L-3受体亚族.包括I L-3、I L-5、G M-CSF等的受体.c.I L-6受体亚族.该亚族包括I L-6、I L-11、LIF、CNTF、OS M、CT-1等因子的受体.d.PR L受体亚族.包括PR

8、L、G H、E po、m pl等的受体.941 附图主要的I 型受体结构3e.G-CSF 受体亚族.目前仅有G-CSF 受体.(2型受体家族主要有干扰素/、干扰素、白介素-10等的受体,其特点是胞外羧基和氨基端各有数对特征性的半胱氨酸对,它也有Box1和Box2基序.二、JAK 家族JAK (Janus kinase 是一种蛋白酪氨酸激酶,迄今为止共发现有4个家族成员,即JAK 1、JAK 2、JAK 3和JAK 4,整个分子可分为7个结构域4:(1J H1,位于羧基末端,具有激酶催化功能.其中有高度保守的八残基特征性序列FWF.(2J H2,与激酶功能相关,但不具有直接的催化活性.(3J H

9、3-J H7,功能不明确,可能与细胞因子受体的结合有关.JAK 1、JAK 2、Jyk2广泛分布于多种组织细胞,而JAK 3仅见于白细胞中5.三、ST ATs 家族ST ATs (signal transducer and activator of transcription ,是JAK s 的直接底物,能将信号直接传递到核内,调节特定基因的表达.共包括6个家族成员,即ST AT 16.ST AT 蛋白长约800个氨基酸,分子量8997kDa ,其编码基因在染色体上紧密连锁6.结构上ST ATs 具有SH2和SH3功能区,SH2序列高度保守,位于第600700位氨基酸之间,与ST ATs 的激

10、活有关.SH3则位于第500600位氨基酸之间,序列保守性较SH2差,能结合富含脯氨酸的序列,功能尚不明确、此外,ST ATs 还具有DNA 结合区,不同的ST ATs 常有共同的DNA 结合基序,但最佳结合点有差异7.四、JAK -ST AT 的信号传递过程JAK-ST AT 信号传递的基本过程可概括为:细胞因子与其相应配体结合;受体和JAK s 发生聚集,邻近的JAK s 相互磷酸化而被活化;JAK s 的J H1结构域催化ST ATs 上相应部位的酪氨酸残基磷酸化,同时ST ATs 的SH2功能区与受体中磷酸化的酪氨酸残基作用而使ST ATs 活化;ST ATs 进入核内同其他一些转录因

11、子相互作用从而调控基因转录8.不同的细胞因子其应答的具体的JAK s -ST ATs 途径各有不同.在I 型细胞因子受体的胞内结构域中,JAK 1和JAK 2定位于一个富含丝氨酸的近膜区域,包括富含051脯氨酸的Box1位点.此外,根据受体结构的不同,还可能同羧基端的V-Box、Box2或X-Box位点相作用.JAK1在I型受体复合物中仅起一种辅助作用,它能同G H,I L -2受体的链,gp130链和gp130的同源物-G-CSF受体相作用.JAK2则能与同聚化的受体链,I L-3受体亚族中的c链,I L-6/CNTF受体亚族的gp130亚基结合,并导致ST AT5的磷酸化.值得注意的是,J

12、AK2催化ST AT5并不要求ST AT5先与受体的特定位点结合,那样的结合仅增加FAK2和ST AT5之间的作用几率.JAK3主要同I L -2受体亚族的多链受体作用从而引起ST AT5的磷酸化,并且优先同I L-2受体亚族的c相连.T yk2对型受体的功能有决定作用,其中牵涉到IFN/引起的ST AT5的磷酸化9,10.结合细胞因子后受体亚基发生二聚化或多聚化11,并影响与之偶联的JAK s,激活JAK s的自磷酸化.这样, JAK s成为了一个相互转移磷酸基过程中的底物,它们的催化功能因为J H1结构域活化环上的酪氨酸残基的磷酸化而被激活.在免疫斑点实验中酪氨酸残基的磷酸化可以在配体结合

13、后的几分钟内被检测出.进一步的实验证明,JAK的相互磷酸化与ST AT5的功能有关.在JAK2-G yrB蛋白转染的细胞中,JAK的磷酸化伴随着该蛋白的二聚化,其氨基端结构对ST AT5的磷酸化是必需的.在鼠类脂肪细胞或T细胞中T NF或PR L对JAK自激活的影响与二价染色体受体抗体和受体之间的结合类似.对E po-JAK嵌合体的研究同样证明,JAK2受体能独立地磷酸化ST AT5.对于在I型细胞因子受体中的同源二聚体引起的ST AT5的磷酸化来说,典型的JAK自激活只需JAK2的相互活化,但在多个受体组成的多链受体中可能就较复杂,因为多链受体和I L-5受体的信号转导需要多种JAK之间的相

14、互配合.如在多链受体引起的ST ATs的磷酸化,就需要两种JAK s的协同作用.这不仅需要JAK1,大多数涉及ST AT5的细胞因子信号的传递也不能缺乏JAK2或JAK3.在I L-2受体偶联的JAK1的磷酸化中就需要JAK3协助,而I L-5受体复合物中磷酸化的JAK1与c 的偶联还依赖于磷酸化I L-5受体的结合.五、ST AT转移到核内的机制及基因转录的活化12活化的ST AT需要进入核内进一步作用,此过程与ST AT的二聚化,以及ST AT上丝氨酸的状态有关.由于ST AT二聚体是一种相对分子质量较大的蛋白质(84-113ku,进入核内应该是经过了核孔复合体(NPC的主动转运.John

15、son提出了一个ST AT核输入的作用模式, ST AT通过im portin/Ran系统进入核内.Im portin由、两个亚单位组成,亚单位首先识别要输入蛋白质序列上的核定位信号(N LS,与之形成复合物.复合物与亚单位结合,进而被锚定于NPC.最后,在G TP结合蛋白“Ran “和其他辅助因子的帮助下进入核内.但目前人们尚未在ST AT上发现N LS,推测ST AT与im portin的结合可能需要配体或受体作为伴随分子的帮助.在G H引起的信号通路中,发现G H受体具有N LS,即-VRVRSK QRN-序列, ST AT有可能是在与G H/G HR/JAK2形成复合物后,即利用了G

16、H受体上的N LS后,被im portin识别、转运至核内.对ST AT1的67kD中心片段与DNA复合物晶体结构的研究表明,ST AT1是通过一个免疫球蛋白样折叠结构与DNA结合的,ST AT氨基端123个氨基酸的晶体结构表明此区域是由8个螺旋组成的一个钩子样的结构,与影响转录的蛋白质相互作用,使ST AT分子形成多聚体并同DNA共价结合.但总的来说,ST AT进入核内后活化基因转录的机制尚不是很明确.六、JAK-ST AT信号通路的调节及其关闭机制像其他任何信号通路一样,JAK-ST AT信号通路也有其自身的负反馈调节机制,以免信号通路持续开放造成细胞代谢失常和生理功能紊乱.目前对确切的调

17、控机制尚不十分清楚.一种可能的机制是通过酪氨酸PTP酶的作用使JAK失活而发挥作用.如SHP-1,该分子特异性地作用于血红蛋白受体而抑制配体刺激的酪氨酸磷酸化,并引起JAK2的去磷酸化.也有报道认为是先由TG F -活化蛋白酪氨酸PTP酶13.另一个重要的抑制信号是SOCS家族(suppressor of cytokine signaling14,包括CIS(一个编码含SH2结构域蛋白的早期应答基因和其他12个共享C端SOCS box结构域的蛋白.已确认这些蛋白有三种不同的调节机制:通过对cDNA编码蛋白阻隔,阻断信号传递,如在I L-6;双杂交催化,蛋白质与JAK2的激酶结构域相互作用;像抗

18、体一样与ST AT分子的SH2结构域特异性结合.这样,当细胞因子激活JAK s后,又诱导了SOCS基因的表达,再通过SOCS蛋白引起JAK-ST AT下调,抑制其生物应答.实验证实,SOCS1(也称为JAB或SSI-1在I L-6刺激20min后被诱导产生,并通过其与JAK的SH2结构域的相互作用而下调I L-6引起的细胞应答,随后SOCS1的表达又在4h内恢复到基础水平.SOCS基因的转录激活至少部分是由于ST AT蛋白的参与.ST AT5和151ST AT3参与的CIS的表达对SOCS1的表达是极其重要的.SOCS1减弱了包括LIF、oncostain-M、IFN、凝血因子、G H在内的一

19、系列细胞因子的生物应答.此外,也降低了JAK s和ST ATs的磷酸化.因此,SOCS可能是一类功能更一般的信号抑制调控因子.细胞因子诱导产生这类蛋白,这些蛋白下调细胞因子的信号,双方就像一个经典的反馈抑制链.七、其他涉及ST AT的通路15JAK s并非是惟一的一种能活化ST ATs的酪氨酸激酶.PTK s,如EG F受体、PDG F受体等本身就具有酪氨酸激酶的活性,因此它们能够直接将ST ATs磷酸化,而无须JAK s的参与.甚至在无受体参与的情况下,Src家族的一些蛋白质,如Src、Lyn、Lck等可同细胞因子的胞内结构域相作用,其SH2结构域可与偶联后的JAK发生蛋白-蛋白相互作用.在

20、鼠类骨髓细胞中,Lyn的SH2结构域在E po诱导的E po受体的磷酸化时可结合并稳定JAK2的磷酸化状态.不久前发现,在使用克隆型抗体后,在辅助T细胞(Th细胞中,一个T细胞受体复合物的刺激诱导了ST AT5的磷酸化.该磷酸化过程受Lck的影响.该新发现似乎能够解释以前的一个发现:ST AT5的磷酸化可以因抗原受体和有丝分裂抗Ig-M抗体的串活所诱导.T ec酪氨酸激酶家族的成员在造血细胞的信号转导中有重要的地位.该类激酶包括一个plextrin同源结构域和一个SH2结构域.它们可以被gp130或I L-3R或c-K it所活化.T ec家族成员Bmx被转染进哺乳动物COS-7细胞中后能诱导

21、ST AT1、ST AT3、ST AT5的磷酸化,进而与DNA结合.此外,一些嵌合体TE L/JAK2等也可强烈地活化ST AT5并引起淋巴细胞的增殖.八、结束语JAK-ST AT信号通路在细胞的生长、增殖和分化中具有重要意义,对具体的信号传递过程及调控环节的详尽研究,将有助于我们深入理解细胞间相互作用以及人体中正常的生理过程和某些疾病的发生机制.(2002年10月5日收到陈晓萍博士生,讲师,浙江大学生命科学学院,杭州310029徐飞本科生,浙江大学生命科学学院,杭州3100291Darnell Jr.J.E.ST ATs and gene regulation.Science,1997;27

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